Eclipse Solar e a ionosfera

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Eclipses solares são eventos bastante espetaculares que acontecem nos céus e mesmo quem não se interessa muito por astronomia é capaz de notar a escuridão provocada pela passagem da Lua entre o Sol e a Terra. Amanhã, 21 de agosto de 2017 teremos mais um eclipse solar Total, o primeiro a cobrir os EUA na era das redes sócias, mas que poderá ser observado também em algumas regiões do Brasil. Porém além da transformação em noite em parte do planeta, o eclipse solar é um fenômeno que oferece uma oportunidade rara para observar e estudar alguns fenômenos na ionosfera terrestre. Mas antes, vamos comentar alguns aspectos sobre o eclipse. 

Um eclipse solar ocorre quando a Lua está entre a Terra e o Sol bloqueando a radiação solar que chega a Terra. Se o disco do inteiro do Sol está atrás da Lua, o eclipse é total. Caso contrário, é parcial. Aqui vale salientar que esse  fenômeno só acontece quando a lua está na fase Nova, pois é nesta que ela se encontra entre a Terra e o Sol. Aqui pode surgir uma pergunta. Por que não temos eclipses solares todos os anos? Já que temos várias luas novas ao longo do ano.

Bem, além da lua está entre o Sol e a Terra, ela  precisa atravessar o mesmo plano orbital da Terra, o que só ocorre duas vezes ao ano devido a inclinação em relação ao eixo da terra, que é de aproximadamente 5 graus. Se essa inclinação não existisse, teríamos que nos acostumar com os eclipses solares mensais a cada lua nova e com os eclipses lunares, que só acontecem em luas cheias. A figura representa as configurações Sol-Terra-Lua para as fases Nova e Cheia em quatro posições  diferentes, salientando os planos da eclíptica (retângulo maior) e da órbita da Lua (retângulos menores).

Em (a) e (c), as fases Nova e Cheia acontecem quando a Lua está um pouco acima ou um pouco abaixo da eclíptica. nestas posições não acontecem eclipses. Nas lunações (b) e (d) as fases Nova e Cheia acontecem quando a Lua está nos pontos da sua órbita em que ela cruza a eclíptica. Nestas posições acontece um eclipse solar na Lua Nova e um eclipse lunar na Lua Cheia. O plano da órbita da Lua está inclinado 5,2 ° em relação ao plano da órbita da Terra. Portanto só ocorrem eclipses quando a Lua está na fase de Lua Cheia ou Nova, e quando o Sol está sobre a linha dos nodos, que é a linha de intersecção do plano da órbita da Terra em torno do Sol com o plano da órbita da Lua em torno da Terra
A quantidade de luz solar atingindo o solo durante o eclipse solar total. Fonte NASA’s Scientific Visualization Studio

Embora necessitem de uma coincidência entre a fase da lua nova e determinadas posições e órbitas, o fenômeno é cíclico com datas de ocorrências muito bem definidas. Esse ciclo possui cerca de 18 anos e 11 dias e é chamado de Período de Saros. Desta forma, temos de antemão não somente a data de sua ocorrência como a projeção da lua( umbra) sobre a terra durante o eclipse. Isso, nos ajuda a compreende por exemplo o quanto as regiões serão afetadas pelo eclipse. Para saber que horas e quão intenso será o eclipse onde você mora  basta acessar o mapa interativo aqui. ( Não esqueça de corrigir a hora no gráfico, para o Brasil basta subtrair -3).

Como já mencionado, o eclipse solar bloqueia a entrada de radiações solares que não apenas são fundamentais para que tenhamos dias claros mas também primordiais para a formação de uma camada ionizada na atmosfera chamada de ionosfera.

Esta região entre ~70 e 1000 km de altitude é formada principalmente devido a ionização das partículas atmosféricas por diferentes comprimento de ondas (energia > 12 eV) que chegam ao planeta. Ela é dividida em três regiões em altitude com base no comprimento de onda da radiação solar absorvida: D, E e F, sendo D a região mais baixa e F, a mais alta. 

Durante o dia, o plasma ionosférico é denso e quando o Sol se põe, a produção desaparece. Aqui a região D, a mais baixa e menos densa, desaparece por completo enquanto as demais regiões perdem intensidade, mas ainda conseguem manter as a região ionizadas, que passam a se recombinarem gradualmente  ao longo da noite.
A região ionosférica possui diversas particularidades, como a sua variabilidade na densidade eletrônica, sendo mais densa durante o dia, ou mesmo a variação em latitude ou com as estações do ano. Além destas características, ela depende muito das condições da atividade solar e do campo geomagnético e de demais elementos que compõem o que chamamos de clima espacial. Sobre esse assunto e algumas implicações das relações sol-terra falo mais aqui .

Assim, durante o eclipse, a ionosfera passa em um curto período de uma condição diurna para uma condição noturna. Ao final do eclipse a ionosfera retorna para condição diurna. Esse tipo de condição geofísica  torna-se muito interessante do ponto de vista científico, pois cria-se uma situação singular para que se possa estudar alguns comportamento da física e química da ionosfera. Podemos saber exatamente quanto a radiação solar está bloqueada, a área da terra bloqueada e por quanto tempo.

Combinada com outras medidas  durante o eclipse, permitirá obter informação tanto da entrada de radiação como da inercia das reações. Isso permitirá analises muito particulares sobre diversas características da dinâmica ionosférica.  Devido a isto, muitos geofísicos espaciais e físicos estarão de olho no comportamento da ionosfera durante o eclipse.

Três equipes financiadas diretamente pela NASA estarão em solo para observar toda a ionosfera. Bob Marshall, pesquisador da universidade do colorado  irá investigar a resposta da baixa ionosfera, utilizando onda de rádio de VLF. A equipe aproveitará a rede existente da US Navy de transmissores VLF para examinar a resposta da região D às mudanças na produção solar. As transmissões serão serão enviadas de estação em Dakota do Norte e monitoradas em  Bouder, Colorado e Bear Lake, Utah. Combinando com base de dados de satélites GOES da NOAA,  SDO e RHESSI ambos da NASA poderão caracterizar o efeito solar nesta região particular da ionosfera.

O segundo grupo de pesquisa, liderado por Phi Erickson do MIT, irão investigar as regiões E e F da ionosfera. Eles usarão mais de 6000 sensores de GPS terrestres e dois sistemas de radar no observatórios de Haystack e Arecibo. Além disso, contará com dados de algumas missões espacias da NASA e com o suporte de rádio amadores que enviarão sinais ao longo do trajeto do eclipse.  Assim, a equipe usará os dados para rastrear distúrbios ionosféricos e seus efeitos em grande escala. Esses distúrbios na ionosfera são freqüentemente ligados a um fenômeno conhecido como ondas de gravidade atmosférica (não confundir com ondas gravitacionais).

A terceira equipe é liderada por Greg Earle da Virginia Tech. Ele espalhará ionossondas por várias cidades do país que  medirão a altura e  densidade da ionosfera.  Estes dados serão combinados com os dados da rede americana de GPS  e  de radar de alta frequência. 

Todas essas investigações estarão acontecendo no exato momento do eclipse. O bom compreendimento da natureza física e química da alta atmosfera é fundamental para facilidade da sociedade moderna. Como por exemplo, a geolocalização com os satélites GPS, onde o sinal passa pela ionosfera. Ou através da reflexão de sinais de rádio na comunicação entre navios e aeronaves

 

 

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Referencias e Leituras 

Cohen,E. The study of the effect of solar eclipses on the ionosphere based on satellite beacon observations. Radio Science, Volume 19, Number 3, Pages 769-777, May-June 1984

Rishbeth, H. Solar Eclipses and Ionospheric Theory. Space Science Reviews, Volume 8, Issue 4, pp.543-554

Hargreaves, J.K; The solar Terrestrial environment. Cambridge University Press. 1995

Astro.if.ufrgs : Eclipse
Nasa: day-to-night-and-back-again-earth-s-ionosphere-during-the-total-solar-eclipse
Nasa: science ground